Une équipe de scientifiques atmosphériques de tout le pays descend sur le Houston, Texas, zone pendant les 14 prochains mois pour chercher des réponses à une question épineuse :faire de minuscules taches de suie, poussière, fumée, et d'autres particules en suspension dans l'atmosphère terrestre aident à déterminer la gravité des orages ? Les connaissances acquises peuvent rendre les prévisions météorologiques plus précises et fournir des données cruciales pour améliorer les prévisions sur la façon dont les aérosols peuvent affecter le futur climat de la Terre.

Le déploiement de Houston fournira également des données détaillées sur la qualité de l'air local. En tant qu'étude de terrain approfondie dans une région métropolitaine, il donnera aux scientifiques une occasion unique d'explorer les effets de l'industrie, émissions des véhicules, et l'environnement bâti sur le temps et le climat.

"Nous voulons savoir comment les aérosols, les minuscules particules sur lesquelles l'eau se condense pour former des gouttelettes de nuages, influencer la physique des nuages ​​​​convectifs profonds - le genre qui emballent souvent des éclairs et des pluies torrentielles - et ensuite comment ces mêmes conditions météorologiques affectent les caractéristiques des aérosols locaux et la qualité de l'air urbain, " a déclaré Michael Jensen, un météorologue au laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et chercheur principal pour la campagne de terrain TRACER. TRACER est l'abréviation de TRacking Aerosol Convection interactions ExpeRiment, une étude menée par l'installation utilisateur de mesure du rayonnement atmosphérique (ARM) du DOE.

Travaillant en étroite collaboration avec des chercheurs de l'Université de Houston, Les scientifiques de TRACER de Brookhaven, Laboratoire national de Los Alamos, et d'autres institutions recueilleront des données sur les aérosols et les caractéristiques atmosphériques pendant une année complète. L'équipe déploiera une suite d'instruments fournis et exploités par ARM à quatre emplacements juste à l'extérieur de la ville. Au cours d'une période d'étude intensive de juin à septembre 2022, des partenaires supplémentaires de la National Science Foundation, Nasa, la Commission du Texas sur la qualité de l'environnement, et d'autres agences se joindront à l'équipe pour attraper le pic de la saison des tempêtes estivales à Houston.

Avec un climat subtropical humide, de nombreux orages convectifs isolés, et une gamme de sources d'aérosols industriels et naturels, Houston est l'endroit idéal pour l'étude.

"Nous sommes un environnement côtier, il est donc particulièrement difficile de prévoir la météo, " dit James Flynn, professeur agrégé de recherche au Département des sciences de la Terre et de l'atmosphère de l'Université de Houston au Collège des sciences naturelles et des mathématiques. "Nous avons beaucoup d'orages; nous avons de la pollution et des sources naturelles de particules fines."

Les exemples incluent la poussière, sel de mer, particules émises par les moteurs diesel, suies provenant des processus de combustion dans les centrales électriques et les raffineries, beaucoup de trafic routier urbain, et même la fumée des incendies de forêt en Californie et au Colorado.

Certaines recherches suggèrent que de tels aérosols peuvent changer le cycle de vie des nuages, retarder le début des précipitations. Si cela arrive, à mesure que les nuages ​​grandissent, les gouttelettes d'eau peuvent grossir. "Et quand ils tombent, c'est une laveuse de rigoles, " dit Flynn.

Les données TRACER amélioreront la compréhension de ces processus et notre capacité à prédire quand les déluges se produiront.

Déploiement ARM

Les appareils ARM, logé dans 10 conteneurs maritimes mobiles, sont collectivement connus sous le nom de « première installation mobile ARM, " ou AMF1. Nombre de ces instruments, y compris un système d'observation des aérosols installé au Brookhaven Lab, ont voyagé dans des endroits du monde entier, de l'Arctique aux tropiques pour recueillir des données atmosphériques.

"Il s'agit du premier déploiement de l'installation mobile ARM en milieu urbain côtier, " a déclaré Sally McFarlane, Responsable du programme DOE pour ARM. "Le chaud, l'air humide du golfe du Mexique contribue à la formation de nombreux tempêtes modérément fortes, celles qui sont probablement mûres pour être touchées par les aérosols. Ces conditions côtières et le mélange de sources d'aérosols industrielles et naturelles de Houston font de la région un laboratoire idéal pour étudier les interactions aérosol-nuage. »

Une équipe ARM mettra en place les conteneurs, chacun abritant des racks d'instruments et des évents d'admission, près de la baie de Galveston, une région avec beaucoup d'industries, raffineries, et le transport. Plusieurs des conteneurs hébergent également des radars sophistiqués (qui utilisent des ondes radio) et des lidars (qui utilisent des impulsions lumineuses laser) pour mesurer la hauteur, profondeur, et la quantité d'eau dans les nuages, parmi d'autres variables importantes. Des instruments météorologiques supplémentaires fonctionneront dans un champ d'instruments adjacent. Collectivement, ces outils suivront les propriétés du cloud ; la taille, numéro, et composition chimique des aérosols; précipitation; et des variables telles que la température et l'humidité qui affectent la stabilité atmosphérique.

Échantillonnage dans toute l'atmosphère

Au cours de l'année, l'équipe ARM lancera également plus d'un millier de ballons météo transportant des capteurs supplémentaires alimentés par batterie, appelés radiosondes, en haut. Les ballons voyageront à travers et au-dessus des nuages, à une altitude allant jusqu'à 17 kilomètres (près de 56, 000 pieds) - se rendant souvent dans la stratosphère - envoyant des données supplémentaires sur la température, humidité, pression, et revient à la station de recherche ci-dessous.

Certains instruments embarqués sur ballon mesureront également la concentration d'ozone à travers la profondeur de l'atmosphère.

"Nous utiliserons ces mesures d'ozone pour en savoir plus sur la qualité de l'air et sur la façon dont les orages redistribuent l'air entre la surface et en altitude, ", a déclaré Flynn. L'ozone de surface est généré lorsque des produits chimiques émis dans le cadre des gaz d'échappement des automobiles et des processus industriels réagissent avec la lumière du soleil. lorsque les tempêtes transportent l'air de la surface vers le haut à travers l'atmosphère, le polluant peut servir de traceur pour TRACER.

Terre, mer, interactions atmosphériques

Au cours de la période d'études intensives de l'été prochain, des scientifiques de TRACER et des agences partenaires déploieront également des équipements supplémentaires à proximité de la commune de Guy, Texas, sud-ouest de la ville. Deux systèmes de ballon captif, un sur le site de Guy et un à Smith Point du côté est de la baie de Galveston, portera des instruments pour mesurer les vents, petites particules d'aérosol, et l'ozone dans les couches les plus basses de l'atmosphère. Les mesures sur le rivage de la baie de Galveston fourniront des informations importantes sur la façon dont la baie influence la circulation atmosphérique locale.

Pendant ce temps, les instruments de Guy collecteront des données dans un endroit plus rural.

"Nous nous attendons à voir des concentrations d'aérosols plus faibles, ce site servira donc de contraste avec le site AMF1 et permettra de comparer les caractéristiques des nuages ​​et des précipitations dans ces conditions très différentes, " a déclaré McFarlane.

Entre les deux principaux sites terrestres, un radar de précipitation ARM à balayage à Pearland suivra les propriétés des nuages.

"Ce radar collectera des données sur les propriétés des nuages, y compris la vitesse des courants ascendants verticaux qui affectent la vitesse de croissance des nuages, former de la glace, et produire de la pluie et des éclairs. Il fonctionnera pendant toute la période d'études, " a déclaré Jensen.

Puis, pendant la période d'étude intensive, en utilisant des techniques d'observation uniques, le radar pourra examiner les détails les plus fins dans les nuages, y compris la taille et la forme des gouttelettes de nuage et s'il s'agit de glace ou de liquide. "Il sera capable de regarder l'atmosphère sur chaque site car ils connaissent des conditions d'aérosol différentes, " a déclaré Jensen.

Le radar sera piloté par un logiciel développé par le scientifique de Brookhaven Pavlos Kollias et programmé à l'aide de l'intelligence artificielle (IA) et des ensembles de données existants. « Ce logiciel permet au radar de sélectionner les tempêtes que nous pensons devoir se développer et de se déplacer sur les sites, puis zoomez et numérisez à haute résolution pour explorer les détails de l'impact des aérosols sur les chutes de précipitations là-bas, " a déclaré Jensen.

Partage et application des données

Toutes les données collectées par ARM seront librement accessibles à toute personne souhaitant les analyser.

"Nous espérons que les choses que nous apprenons ici, les processus au sein de l'activité convective, comment la pollution affecte les tempêtes, sera applicable dans d'autres grandes zones urbaines qui ont beaucoup de convection, " Flynn a déclaré. "Avec beaucoup de projets, vous vous concentrez vraiment sur une véritable science fondamentale. Les gens ne savent parfois pas pourquoi c'est important. C'est l'un de ces projets qui s'applique très bien à la vie de tous les jours ici à Houston."

La recherche sera également applicable au-delà de la région de Houston. Le programme de recherche sur le système atmosphérique (ASR) du DOE s'est déjà engagé à financer 10 projets TRACER dirigés par des chercheurs universitaires.

« Les objectifs scientifiques de TRACER sont alignés sur l'accent mis par ASR sur le cloud, aérosol, précipitation, et les processus radiologiques, " a déclaré Jeff Stehr, un directeur de programme du DOE pour l'ASR. "Les nuages ​​convectifs se produisent partout dans le monde, mais il y a encore beaucoup de questions sur la façon dont ils sont affectés par leur environnement. TRACER améliorera notre compréhension de la formation de ces nuages, grandir, et la décomposition dans et autour d'un environnement urbain côtier. L'ensemble initial de projets financés par ASR implique des équipes de recherche de tout le pays, et ajoutera des mesures ainsi que la modélisation à la campagne TRACER."

Les données collectées par TRACER seront également utiles pour comprendre les processus liés à la formation et à la durée des ouragans.

Et tandis que le temps et le climat fonctionnent à des échelles de temps différentes, ils traitent tous les deux de "la physique de l'atmosphère terrestre, " a déclaré Jensen. " Comprendre les tempêtes est important pour comprendre le climat, car les tempêtes redistribuent la chaleur et l'humidité dans l'atmosphère. Et cette redistribution est affectée par des processus à petite échelle dans l'atmosphère, y compris les interactions avec les aérosols. C'est ce contre quoi nous luttons dans les modèles de climat et de météo. »

"TRACER remplira certaines des données manquantes pour nous aider à améliorer ces modèles."